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微流控芯片的主要应用、发展方向和未来挑战
近年来, 随着社会经济的飞速发展, 新型科学技术层出不穷,微流控芯片因具有试剂消耗量少、能耗低、反应速度快、高通量化、液体自驱等独特优势,已经发展成为集生化、医学、电子、材料及其交叉学科的研究热点。


主要应用

PCR:微流控芯片技术与PCR结合可以在短时间内完成扩增,不仅可有效缩小反应体系,极大提高检测灵敏度, 而且反应所需时间短, 轻便易携带,已经成为医学检测领域备受重视的技术。


病原体:基于微流控技术的病原体检测在临床医学、食品工业和环境监测显现出准确度高、耗时短等优点。

皮肤:皮肤作为人体最大的组织器官,也是人体免疫的第一道防线, 维持着人体内环境的稳态并且抵抗着外界的细菌感染, 汗液作为最常见的生物标志物也可用来检测多项生命体征。随着复杂材料的发展,柔性可穿戴设备可通过附着于皮肤,分析生物体液来实时监测人体各项指标。

肿瘤癌症外泌体:肿瘤来源的外泌体(exosomes)在肿瘤微环境的胞间通讯中发挥着特殊作用,它们在体液中含量稳定且能够灵敏地反映出肿瘤的实际状态,被认为是“液体活检”技术中极具潜力的肿瘤标志物。

外泌体研究中面临的首要困难是如何从复杂的生物样品中分离出这些微小囊泡. 超速离心法是外泌体浓缩的经典方法,但步骤冗杂、仪器昂贵, 且回收率较低。

将多种纳米颗粒组装在微流体甬道中用于实体肿瘤体内核磁成像,可以实现有效的实体肿瘤在0.5 h内成像,并可维持至少16h,供患者测量后在多个时间点进行治疗,不需要重复做临床核磁来观测整个肿瘤情况,相比之下更为便捷,且成像非常清晰,帮助外科医生确定肿瘤大小并做出准确的决定。

组织工程 (器官芯片):材料科学和微流控技术的发展,推动了体外细胞组织器官的构建,从而也加快了高效诊断以及治疗技术的进步。

药物分析:微流控芯片技术在药物递送、药物筛选方式上提供了新的可能, 如结合微针达到无痛缓控透皮给药。

血液分析:微流体血液分析是用于生物学、基础医学、预防医学与公共卫生学领域的医学科研检测手段,该方法仅利用少量血液就可以检测中、重度贫血, 癌细胞等。

神经 (植入型):目前多种与神经科学密切相关的微流控设备以其实时监测以及空间掌握能力、人体微环境模拟真实性和高集成简便性应用于医疗领域。目前对于神经系统的研究通常是利用药物学以及光遗传学技术进行神经功能的可控控制。然而神经组织十分脆弱,传统技术会给神经组织造成严重的伤害。


发展方向

随着人们生活水平的提高,在医疗领域有了更高水平和更多个人定制化的需求,基于医用微流控芯片的医疗器械正在不断发展,还有许多其他实例也反映了微流控芯片在医学领域研究中的应用:

(1) 用于即时检测分析的POCT,可做到现场检测、诊断以及治疗一气呵成;

(2) 用于高通量药物筛选、单细胞测序和微量化学反应的微流控反应芯片;

(3) 用于建立细胞/组织/器官模型,进行药物药理毒理研究。


未来挑战

微流控技术作为工业化技术,拥有诸多优点,将其应用于各行各业进行大规模生产是大势所趋。然而微流控芯片的开发成本以及运营成本一直处于居高不下的窘境,这导致技术无法惠于民。目前微流控的关键性技术仍然把握在一些发达国家手中,我国的现代高新企业未来的目标在于降本增效,需要掌握更高模式分辨率和更低成本的制备技术,早日抢占市场份额,将微流控芯片技术惠及大众。

微流控芯片技术已经发展成为现代科技进步道路上不可或缺的技术,具有跨多个领域的应用价值,特别是在其医学领域方面。希望有更多来自不同领域的研究人员共同探讨并解决现有的问题,将微流控芯片技术推向广泛可靠、真正工业化。相信未来微流控芯片技术在医学领域将取得更多更有价值的成就。